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1、(7-1),电子技术,第十章 数/模与模/数变换器,数字电路部分,(7-2),第十章 数/模与模/数变换器,10.1 概述10.2 D/A 变换器10.3 A/D 变换器,(7-3),数/模与模/数变换器是计算机与外部设备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部件。,数/模变换器：能将数字量转换为模拟量的装置，简称D/A变换器。,下面，对这两种器件的工作原理及 其简单应用做一些介绍。,10.1 概述,模/数变换器：能将模拟量转换为数字量的装置，简称A/D变换器。,(7-4),10.2 D/A 变换器,D/A变换器的基本思想：由于构成数字代码的每一位都有一定的“权”，因此为了将数字量转换成
2、模拟量，就必须将每一位代码按其“权”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比的模拟量。,D/A变换器的电路形式很多，下面只介绍三种。,(7-5),10.2.1 权电阻D/A变换器,变换器组成：“电子模拟开关”、“权电阻求和网络”、“运算放大器”和“基准电源”等部分。,(7-6),电子模拟开关(S0 S3)：是受二进制数D0 D3 控制并由电子器件构成的开关。,当 DK 1 时，则开关SK 接到位置1上，将基准电源UREF经电阻Rk引起的电流接到运算放大器的虚地点；,当Dk0 时，开关Sk 接到位置0，将相应电流直接接地而不进运放。,(7-7),模拟电子开关的简化
3、原理电路,当 D=1 时，T2 管饱和导通，T1 管截止，则 S 与 a 点通；,当 D=0 时，T1 管饱和导通，T2 管截止，则 S 被接地。,前者相当于开关S 接到“1”端，后者则 相当于开关S 接到“0”端。,(7-8),根据反相比例运算公式可得：,(7-9),(7-10),根据反相比例运算公式可得：,显然，输出模拟电压的大小直接与输入 二进制数的大小成正比，从而实现了数字量 到模拟量的转换。,(7-11),10.2.2 倒T形解码网络D/A变换器,由于解码网络的电路结构和参数匹配，使得上图中D、C、B、A四点的电位逐位减半，,输入数字量和输出模拟电压 uo 之间的关系:,uo,(7-
4、12),UD=UREF,UC=UREF/2,UB=UREF/4,UA=UREF/8,即：,因此，每个 2R支路中的电流也逐位减半。,uo,(7-13),uo,(7-14),+,+,-,A,RF,UREF,2R,S3,R,S2,S1,S0,2R,2R,2R,2R,1,1,I0,2R,R,R,I1,I2,I3,秦曾煌书上画的倒T形电阻网络数模转换器，工作原理与前图同。,(7-15),10.2.3 T形解码网络D/A变换器(以4位为例),S2,S3,S1,S0,2R,2R,2R,2R,R3,R2,R1,R0,D3,D2,D1,D0,0,0,1,1,UREF,2R,R,R,R,2R,因电流建立时间较长
5、，这种结构已少采用。,(7-16),10.2.3 D/A变换器的主要技术指标,指最小输出电压和最大输出电压之比。,有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。,一、分辨率,二、线性度,通常用非线性误差的大小表示D/A 变换器的线性度。把偏离理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义 为非线性误差。,三、输出电压(电流)的建立时间,(7-17),10.2.4 集成电路D/A变换器 DAC 0832及其应用,D/A变换器集成电路有多种型号。下面仅以DAC0832为例来介绍集成电路D/A变换器。,DAC0832：是八位的D/A变换器，即在对其输入八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相
6、应的模拟电压值。,(7-18),DAC0832 简化电路框图,(7-19),DAC0832 管脚分布图,(7-20),例1：单步输入操作-适用于单个DAC工作,(7-21),例2：两步输入操作-适用于多个DAC工作,具体的电路连线图请见投影（旧教材 P477页）。,(7-22),10.3 A/D 变换器,A/D变换器的功能：将模拟量转换成数字量。它是模拟信号和数字仪器的接口。,下面介绍两种A/D变换电路的原理和一种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。,根据其性能不同，A/D变换器的类型也比较多。,(7-23),10.3.1 并联比较型,电路如左图所示。,这种A/D 变换器的优点是转换速度快
7、；缺点是所需比较器数目多，位数越多矛盾越突出。,它由三部分组成:分压器、比较器和编码器。,E-参考电压，ux-要转换的模拟电压,(7-24),逻辑状态关系表,(7-25),10.3.2 逐次逼近型A/D,1.工作原理：可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：,(7-26),ADC0804 内部电路框图,2.逐次逼近型电路框图,(7-27),10.3.3 积分型A/D,(7-28),T,t1,t2,u,t,Ui1,Ui2,T 固定不变,斜率固定不变,积分型A/D的工作原理,(7-29),10.3.4 压频
8、变换型A/D,-UREF,S,C,UO,UC,UO=“0”,S打开,UO=“1”,S闭合,(7-30),-UREF,0,t,t,uC,uc,T,原理图上开关合上是没有电阻的,而实际电路放电总是要时间的.想象一下时间轴的单位是 ns 就可理解了。,(7-31),10.3.5 A/D 变换器的主要技术指标,一、分辨率：以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度越高。,二、转换速度：完成一次A/D转换所需要的时间，即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。,三、相对精度：实际转换值和理想特性之间的最大偏差。,四、其它：功率、电源电压、电压范围等。,(7-
9、32),10.3.6 ADC0804 及其应用,ADC0804：是分辨率为八位的模数转换组件,采用逐次逼近型工作原理。,A/D变换组件也有多种型号可供选择，如：高速的，高分辨率的，高速且高精度的等等。使用者可根据任务要求进行选择。下面以 ADC0804 为例，介绍集成电路A/D变换器。,(7-33),ADC 0804 管脚分布图,(7-34),ADC0804 工作时序图,(7-35),(7-36),A/D变换类型的比较:,1.并联型:快 转换速度与位数无关,但所用元器件多,功耗大,2.逐次比较型:中速 位数越多速度越慢,3.双积分型:慢 但精度高,抗干扰能力强,同一电路做正反两次积分,消除了电
10、路的线性误差,并且输入信号中的瞬时干扰和高频噪声因积分而被,抑制,(7-37),4.压频转换型:,这种方式的取样电压值是取样时间内的平均值,这样就可以消除掉输入信号所带周期为T/n(n=1,2,3.)对称干扰。所以抗干扰能力比较强。,(7-38),有关A/D变换的一些基本概念,1.香农定理(采样定理)又称为奈奎斯特准则,fs-采样频率(sample),fmax-模拟信号的频谱中最高次谐波的频率-,(7-39),2.保持(Hold),由于将一个采样值转换成数字量输出需要时间,所以要将采到的值保持一定的时间,以便能完成转换一般保持到下一个采样脉冲到来。,(7-40),3.量化级、量化值、最大量化误
11、差、量化单位,LSBLeast Significant Bit,MSB-Most Significant Bit,量化级-将模拟量幅值变化范围按代码的个数分成等份，每一等份为一量化级,量化值 每级选定一个值，依次与代码对应，这个值就叫量化值,(7-41),7.56.55.54.53.52.51.50.5,76543210,四舍五入,舍去小数法,量化级,量化值,1LSB=1v 量化单位,量化误差,量化值,量化误差,1v,0.5v,1LSB,LSB,(7-42),4.,位A/D转换系统的含义,将A/D 变换输出的数字量用BCD制码表示,低n位都能完整地表示“0-9”这十个数码,但最高位只表示0,1这两个数码,由于最高位不是完整的BCD码,习惯上就称为半位。整个系统就称为：,位A/D转换系统,(7-43),A/D变换的分辨率:能对转换结果发生影响的最小输入量,也就是:1LSB所对应的模拟量,D/A变换的分辨率指最小输出电压和最大输出电压之比。,两者也都可用变换器的位数来表示,5,(7-44),第十章 结束,电子技术,数字电路部分,
